Общие правила подготовки и выполнения демонстрационных опытов. Познание свойств предметов и физических явлений начинается с формирования в сознании человека понятий о самих предметах и явлениях. Для возникновения в сознании человека понятия о любом предмете или явлении человеку необходимо его чувственное восприятие, чувственный опыт. Поэтому процесс формирования научного понятия у учащихся о физическом явлении должен начинаться, если это возможно, с чувственно-конкретного восприятия, с наблюдения явления, с демонстрации предметов и явлений, о которых пойдет речь. При подготовке и выполнении демонстраций полезно помнить о некоторых общих правилах и возможных вариантах проведения демонстрационных экспериментов. Безусловным правилом является предварительное выполнение до урока любого, даже самого простого опыта. Это предотвратит возможные провалы тех, кто считает возможным без «репетиции» демонстрировать в классе опыты, знакомые по книгам или виденные в исполнении других учителей. Если опыт один раз получается, а другой раз не получается, то лучше отложить попытку его демонстрации в классе до тех пор, пока не будет полной уверенности в успехе. Неудавшийся опыт не только ведет к разочарованию учащихся из-за неоправданных ожиданий увидеть что-то интересное, но и подрывает в их глазах авторитет учителя. При подготовке опыта нужно постоянно помнить, что он будет выполняться для наблюдения учащимися всего класса. Следовательно, демонстрируемое явление должно быть хорошо видимым каждым учащимся. Демонстрируемый эффект должен быть убедительным, не вызывающим сомнений. При подготовке демонстрации нужно думать не только о том, как результат опыта позволит обосновать или опровергнуть какие-то теоретические утверждения, логические построения. Чтобы демонстрационный эксперимент мог выполнить свою основную учебную функцию, необходимо прежде всего, чтобы опыт увидели все школьники. Привлечения внимания учащихся к подготовленному эксперименту можно достигнуть парадоксальностью постановки проблемы. Например, перед выполнением опыта с трубкой Ньютона очевидным кажется неправильный ответ на вопрос: что быстрее упадет на дно трубки при ее переворачивании — небольшое птичье перо или кусок свинца? Перед изучением закона сложения сил можно сначала спросить: сколько будет яблок, если к двум яблокам прибавить еще два? А затем спросить: какая сила получится при сложении действия двух сил, 2 Н каждая? Обращая внимание на хорошую видимость демонстрируемого опыта, его эффектность, нельзя забывать о главной цели его выполнения. После завершения эксперимента можно спросить учащихся, понравился ли им этот опыт. Но затем нужно обязательно проверить, что же видели учащиеся. Выделить самое важное из многих действий учителя с предметами на демонстрационном столе и происходящих при этом эффектов совсем не простая задача. Поэтому учитель перед выполнением демонстрации должен заранее объяснить учащимся, что он собирается делать, куда нужно смотреть и что мы ожидаем увидеть. А по окончании опыта попросить учащихся рассказать, как выполнялся эксперимент, что произошло в результате и какие выводы можно сделать из увиденного. Если многие учащиеся не увидели самого главного из того, что происходило в эксперименте, или не поняли, как выполнялся опыт, демонстрацию можно повторить еще раз. Если эксперимент несложный и безопасный, его повторное выполнение можно поручить учащимся. Хотя демонстрационные опыты вызывают интерес у большинства школьников, подготовка опыта во время урока должна быть кратковременной, так как для учащихся это время полной бездеятельности. Если учитель будет 10—15 мин собирать на столе экспериментальную установку, то к моменту выполнения самого опыта интерес к происходящему угаснет, внимание переориентируется, и многие школьники просто не увидят опыта. Поэтому для опытов, требующих значительных затрат времени на сборку установки, соединение приборов, должны быть заранее подготовлены приборы и оборудование на демонстрационном столе. Виды демонстрационных экспериментов. Общая методическая рекомендация — желательно на каждом уроке физики проводить либо демонстрационный эксперимент, либо самостоятельные опыты учащихся — может показаться далекой от потребностей школьного курса физики и реальных возможностей обычной общеобразовательной школы. Но проанализируем сначала потребности школьного курса физики. Образовательный стандарт по физике требует знания около 50 физических понятий, физических величин и законов, умений описывать и объяснять несколько десятков физических явлений, использовать физические приборы и измерительные инструменты для измерения физических величин. Для выполнения этих требований почти на каждом уроке необходимо знакомить учащихся с новыми физическими явлениями, новыми величинами, новыми приборами и измерительными инструментами. Поэтому проблема не в том, что нечего показать на уроке физики или что дать в руки учащимся для самостоятельных опытов. Проблема в отборе из множества возможных опытов наиболее соответствующих целям обучения. Разделим демонстрационные эксперименты по их назначению. С демонстрации нужно начинать изучение нового физического явления. Не увидев явления разложения белого света в разноцветный спектр, нельзя иметь адекватного понятия об этом явлении. При формировании понятия о новом явлении нужно научить отличать его от ранее известных или похожих. Для этого нужны опыты, помогающие выделить существенные отличительные признаки наблюдаемого явления. Так, нужны специальные опыты, позволяющие различать понятия «масса», «сила тяжести» и «вес». Переход от качественного описания явления к точным количественным характеристикам требует введения новых физических величин и задания способов их измерений. Этот этап также требует выполнения специально поставленных опытов. Каждый новый физический прибор нужно демонстрировать, объяснять его устройство и принцип действия. Для этих целей выпускаются специальные демонстрационные варианты приборов и измерительных инструментов. Они отличаются большими размерами, указателями и шкалами таких размеров, что показания приборов видны всему классу. Такими приборами являются демонстрационный термометр, динамометр, вольтметр и амперметр. После формирования понятия о физическом явлении и физических величинах, характеризующих это явление, ознакомления со способами измерения этих величин можно перейти к установлению количественных зависимостей между физическими величинами, к изучению физических законов. В тех случаях, когда воспроизведение физического опыта выходит за пределы возможностей физического кабинета, педагогически целесообразны демонстрации модели, кинофильма, диапозитива или плаката, помогающие формированию наглядных представлений о характерных особенностях реального эксперимента и его результатах. Критерием того, что теория соответствует действительности, является экспериментальная проверка следствий и практические применения новых знаний. И этим этапам познания необходима опора на соответствующий учебный физический эксперимент. Выяснение принципа действия электрогенератора и электромотора для школьного курса физики является не менее важной задачей, чем понимание результата опыта Фарадея по обнаружению явления электромагнитной индукции или опыта с кольцами при изучении правила Ленца. При всей важности демонстрационного эксперимента в процессе обучения физике в основной школе не следует перегружать урок большим числом демонстраций. В погоне за количеством легко потерять качество, так как человеческие возможности усвоения и запоминания нового весьма ограничены. На вопрос о месте и времени демонстрационного эксперимента на уроке нельзя дать однозначную рекомендацию. Выбор целесообразного момента выполнения опыта во многом определяется спецификой учебного материала и выбранным методом изучения данной темы. В одних случаях лучше сначала показать опыт, чтобы потом обсуждать наблюдаемое явление, в других случаях лучше перед выполнением опыта обсудить проблему и выяснить, какой опыт нужно выполнить для ее разрешения. Опыты учащихся. Ознакомление с новым физическим явлением в большинстве случаев целесообразно начинать с демонстрации явления, выполняемой учителем. В процессе такой демонстрации обращается внимание учащихся на существенные признаки явления, условия для осуществления опыта и необходимые меры безопасности. Но только наблюдения опытов «со стороны» не способны обеспечить формирование в сознании учащихся адекватных представлений о наблюдаемых явлениях. Успешный процесс усвоения знаний осуществляется в самостоятельной познавательной деятельности личности, не ограниченной только наблюдениями за деятельностью других людей или слушанием их объяснений. Невозможно иметь представление о магнитном взаимодействии тел, не ощутив удивительное притяжение железного шара, удерживаемого одной рукой, к магниту, находящемуся в другой руке, отталкивание одноименных полюсов магнитов. Демонстрация увеличенного изображения предмета, даваемого линзой на экране, не заменит школьнику впечатления от прямого наблюдения через линзу увеличенного изображения своей руки. Поэтому после демонстрации каждого опыта желательно предоставить учащимся возможность повторить его самостоятельно. Опыты учащихся на уроке должны удовлетворять нескольким простым требованиям. Они должны быть: 1) связаны с основным содержанием занятия; 2) интересными для школьников; 3) доступными для понимания в постановке проблемы и полученных результатов; 4) безопасными для жизни и здоровья детей. Возрастные особенности учащихся основной школы обеспечивают повышенный интерес большинства из них к любым опытам. Однако не следует упускать из виду, что те же возрастные особенности обусловливают основное внимание учащихся лишь к внешней стороне наблюдаемых явлений, а постановка проблемы, анализ условий проведения опыта и выводы из результатов эксперимента даются им совсем нелегко. Поэтому перед выполнением каждого опыта учителю необходимо убедиться, что все школьники понимают цель опыта, представляют себе возможные варианты его результатов и могут сформулировать выводы, которые можно будет сделать из полученных результатов. До проведения эксперимента необходимо подвести учащихся к выводу о том, что существует проблема, которая может быть разрешена только опытным путем. Потом с участием школьников спланировать и выполнить эксперимент, результаты которого могут дать решение этой проблемы. После выполнения эксперимента в форме самостоятельного опыта школьников следует провести коллективное обсуждение его результатов и сформулировать выводы. Рассмотрим конкретный пример эксперимента, который могут выполнить школьники на первом уроке, когда происходит ознакомление с понятиями физическое явление, наблюдение, проблема, гипотеза, опыт. Постановка проблемы учителем. Пример постановки проблемы перед школьниками и этапы ее возможного обсуждения представлены на втором развороте первого параграфа учебника при рассмотрении физического явления падения тел на Землю. Для обеспечения возможности самостоятельных опытов по наблюдению одновременного падения двух монет, маленькой и большой, учителю нужно заготовить набор монет на класс. После выполнения самостоятельных опытов учащимися нужно подвести итоги. Вывод может быть примерно таким: заметить разницу во времени падения маленькой и большой монет не удается. Но нельзя быть уверенным и в том, что монеты падают совершенно одновременно, так как время их падения очень мало. После этого можно рассказать об опыте Галилея, который для увеличения времени падения тел наблюдал падение двух шаров с высокой наклонной «падающей» башни в г. Пизе. Один из шаров был в 200 раз тяжелее другого. Опыт показал, что тяжелый и легкий шары достигают поверхности Земли одновременно. Начиная с этих и других опытов Галилея основным методом проверки гипотез в физике стал экспериментальный метод. При желании и наличии времени можно продолжить выполнение экспериментов по изучению явления падения тел на Землю с использованием трубки Ньютона. Показав стеклянную трубку с находящимися в ней кусочком свинца и птичьим пером, задаем вопрос: Если быстро перевернуть эту трубку, одновременно ли достигнут дна трубки кусочек свинца и птичье перо? Когда будут высказаны гипотезы о результатах опыта, выполняем опыт и предлагаем высказать предположения о причине более долгого падения пера. После высказывания гипотезы о влиянии сопротивления воздуха на движение тел задаем вопрос: А если бы в трубке не было воздуха, кусочек свинца и птичье перо достигли бы дна трубки одновременно? Затем откачиваем воздух из трубки и проверяем гипотезу о том, что в пустоте кусочек свинца и перо упадут одновременно. Приведенные примеры показывают, насколько простыми средствами может быть организована активная познавательная деятельность учащихся, позволяющая им овладеть такими важными общими теоретическими понятиями, как явление, наблюдение, проблема, гипотеза, опыт или эксперимент. Коллективный эксперимент. Учащиеся основной школы начинают изучение физики, не имея опыта постановки цели эксперимента, его планирования и выполнения, записи и обработки результатов измерений, их обсуждения и формулирования выводов. Поэтому наряду с другими формами организации практической познавательной деятельности учащихся может быть использована и форма, которую назовем коллективным экспериментом. Рассмотрим особенности организации коллективного эксперимента на конкретном примере выполнения опыта по изучению закона сложения сил. Сложение сил. В принципе возможен формальный способ введения закона сложения сил, при котором правило сложения векторов дается как математическая аксиома. Затем сообщается, что сила есть векторная величина, и далее используется правило сложения векторов для нахождения равнодействующей сил. Такой путь изучения был бы оправданным, если бы знание правила сложения векторов сил было целью изучения физики. Но это и многие другие правила и законы большинству выпускников основной школы не понадобятся в практической жизни, а те, которые выберут профессии, связанные с применением знаний по физике, будут изучать эти законы еще раз на более высоком уровне. Зачем же нужно изучать закон сложения сил в основной школе и как нужно его изучать? Изучение этого и других законов физики нужно для формирования представлений о том, что такое законы природы и как устанавливаются эти законы. Поэтому изучение закона должно происходить по тому пути, каким произошло его открытие. Закон сложения векторов сил не выводится теоретически из других законов, его нельзя доказать путем логических рассуждений. В физике факт сложения действия сил по правилу параллелограмма установлен экспериментально и называется принципом суперпозиции сил. Этот закон можно применять для сложения действия нескольких сил только после того, как экспериментально установлен факт подчинения действий сил такому закону. Смысл принципа суперпозиции сил заключается в том, что результат действия любой силы на тело не зависит от того, действуют ли одновременно еще какие-либо силы или других сил нет. Таким образом, экспериментальное «открытие» векторного характера сложения действий нескольких сил имеет глубокий физический смысл и потому неравноценно формальному способу введения правила параллелограмма. Разумеется, на первом этапе изучения физики едва ли следует объяснять принцип суперпозиции сил: это целесообразнее сделать при изучении физики в старших классах. Для того чтобы учащиеся смогли осознать, что на примере закона сложения сил они знакомятся с принципиально новым законом сложения величин, изучение этой темы можно начать с такой постановки проблемы: «Скажите, если к двум яблокам прибавить еще два яблока, сколько будет яблок?» Ответ: «Четыре яблока» — очевиден. «А если на тело действует сила 2 Н и еще одна сила 2 Н, то чему равна суммарная сила их одновременного действия?» После краткого обсуждения ответов можно выполнить экспериментальную проверку предполагаемых результатов с использованием трех динамометров. Для опытов нужно использовать демонстрационные динамометры, показания которых видны всему классу. Сначала два динамометра тянут вдоль одной прямой за нить, привязанную к третьему динамометру. Показание каждого из двух динамометров должно быть равно 2 Н. В этом случае показание третьего динамометра, на который действуют одновременно две силы по 2 Н, равно 4 Н. Выполняется обычное правило сложения: 2 + 2 = 4. Затем изменяют положения динамометров в пространстве так, чтобы между ними был угол примерно 120°. Показание третьего динамометра теперь становится равным 2 Н. Изменяя угол между направлениями двух векторов сил по 2 Н от 0 до 180°, можно получить значения модуля равнодействующей сил от 4 до 0 Н. Мы получили, что закон сложения векторных величин принципиально отличается от закона сложения скалярных величин. Направление результирующего вектора и его модуль зависят от направлений и модулей слагаемых векторов. Далее целесообразно дать возможность учащимся установить закон сложения сил в самостоятельном эксперименте. При отсутствии достаточного количества комплектов лабораторного оборудования исследование может быть выполнено в форме коллективного эксперимента. Для того чтобы в обсуждении задач эксперимента, плана его проведения и в выполнении измерений участвовало возможно большее количество учащихся, проблему нахождения правила сложения векторов сил можно разбить на большое число ступеней с постановкой промежуточных проблем и коллективным обсуждением хода эксперимента. Рассмотрим возможный вариант хода эксперимента. Постановка проблемы. На демонстрационном столе вы видите груз, подвешенный на крючках двух динамометров (рис. 2). Груз неподвижен. Какой вывод можно сделать из этого факта о действующих на груз силах?
Рис. 2
1-й ученик. Сумма действующих на груз сил равна нулю. Сколько сил действует на груз и как они направлены? Нарисуйте на доске схему расположения груза, точки приложения и направления векторов сил. 2-й ученик. Сила тяжести F т → направлена вертикально вниз, две силы упругости F 1 → и F 2 → приложены к точке А и действуют на груз по направлениям AB и AС. Сумма действующих на груз сил равна нулю (рис. 3).
Рис. 3
В тетради изобразите векторы сил, действующих на груз. Что нужно измерить на этой экспериментальной установке для того, чтобы на ваших чертежах были правильно представлены направления и модули этих векторов? 3-й ученик. Нужно измерить расстояния АВ, АС и ВC, записать показания динамометров и вычислить силу тяжести груза по его известной массе. Выполните измерения расстояний АВ, АС, ВC и нарисуйте чертеж на доске в пропорции с полученными результатами. 4-й ученик. Результаты измерений следующие: АВ = 38 см, АС = 50 см и ВC = 63 см. На доске я провел горизонтальную прямую и отметил на ней точки В и С на расстоянии 63 см. Затем провел дугу окружности радиусом 38 см из точки В и дугу окружности радиусом 50 см из точки С. Точка пересечения этих дуг есть точка А. А какие размеры удобны для рисунка в тетради? 5-й ученик. Для тетради удобно выбрать размеры всех расстояний, в 5 раз меньших: АВ = 7,6 см, АС = 10 см и ВC = 12,6 см. Выполните чертеж треугольника АВС в своих тетрадях. Теперь снимите показания динамометров и изобразите векторы сил упругости на чертеже. 6-й ученик. Показания левого динамометра 4 Н, показания правого динамометра 3 Н. Обозначим их как F 1 → и F 2 → . Для изображения векторов сил на доске я выбираю масштаб 1 Н = 5 см. Какой масштаб удобен для изображения векторов сил на чертеже в тетради? 7-й ученик. Для тетради можно выбрать масштаб 1 Н = 2 см. Тогда длина вектора F 1 → на чертеже должна быть равна 8 см, а длина вектора F 2 → должна быть равна 6 см. Постройте на чертеже векторы сил упругости в масштабе 1 Н = 2 см. Теперь вычислите значение силы тяжести груза и постройте вектор силы тяжести на чертеже. Масса груза 0,5 кг. 8-й ученик. Силу тяжести находим по формуле Fт = 9,8m = 9,8 · 0,5 Н ≈ 5 Н. Вектор силы тяжести приложен к точке А и направлен вертикально вниз. Масштаб для изображения вектора силы в тетради нужно выбрать прежний: 1 Н = 2 см. Поэтому длина вектора силы тяжести на чертеже в тетради равна 10 см. Постройте в тетрадях вектор силы тяжести F т → . Каково направление равнодействующей двух сил упругости и каков ее модуль? 9-й ученик. Так как груз неподвижен, равнодействующая двух сил упругости равна по модулю силе тяжести, действующей на груз, и направлена противоположно этой силе, вертикально вверх. Масштаб для изображения вектора силы прежний: 1 Н = 2 см. Поэтому и длина вектора F 3 → такая же, т. е. 10 см (см. рис. 3). Постройте на чертеже в тетради вектор F 3 → равнодействующей сил упругости F 1 → и F 2 → . Теперь главный вопрос: мы из опыта нашли направление и модуль вектора равнодействующей F 3 → двух сил упругости F 1 → и F 2 → , приложенных к одной точке тела. А можно ли найти направление и модуль равнодействующей двух сил, приложенных к одной точке, не выполняя специального опыта? 10-й ученик. Это можно сделать, воспользовавшись правилом параллелограмма. Нужно к концу вектора F 1 → приставить начало вектора F 2 → , перенесенного в пространстве параллельно самому себе. Соединив стрелкой начало вектора F 1 → с концом приставленного к нему вектора F 2 → , получим вектор F 3 → равнодействующей сил F 1 → и F 2 → . Постройте на своих чертежах равнодействующую сил F 1 → и F 2 → по правилу параллелограмма. Проверьте, совпадает ли этот вектор с найденным из эксперимента вектором равнодействующей F 3 → . Какой вывод следует сделать из выполненного эксперимента, если равнодействующая сил F 1 → и F 2 → , найденная по правилу параллелограмма, совпадает с найденным из эксперимента вектором равнодействующей F 3 → ? 11-й ученик. Правило параллелограмма для нахождения равнодействующей двух сил, приложенных к одной точке тела, является математической формулировкой экспериментально установленного свойства действия сил на любые тела. При выполнении экспериментального задания необходимо неоднократно обращать особое внимание на обязательное условие, при котором выполняется правило сложения векторов сил — приложение сил к одной точке тела. Можно при этом добавить, что результаты одновременного действия на тело нескольких сил, приложенных к разным точкам, мы рассмотрим на следующих уроках. Методом коллективного выполнения может быть осуществлено экспериментальное исследование зависимости объема газа от давления при постоянной температуре, исследование явлений плавления и кристаллизации.
